Banco de óptica. Optical bench.

Conjunto de elementos para realizar experimentos ópticos: foco, lentes de diferentes tipos, pantallas, etc. Resulta adecuado para determinar la longitud focal y potencia de las lentes, así como para comprobar las leyes que las rigen.

La fuente de alimentación consiste en un receptáculo de 65 x 63 x 5 mm que contiene 4 baterías LR6 de 1,5 V. El foco, colocado en su soporte, tiene una altura mínima de 05 mm, una longitud de 75 mm y un diámetro máximo de 40 mm. La pantalla que contiene el objeto (1), colocada en su soporte, tiene una altura mínima de 145 mm y una anchura de 65 mm. La pantalla donde se proyecta la imagen, colocada en su soporte, tiene una altura mínima de 130 mm y 80 mm de anchura. Las lentes tienen diámetros externos de: 55, 45 y 35 mm.

En la fotografía se puede apreciar la diferencia en el proceso de reflexión entre un espejo cóncavo (los rayos coinciden en un punto, el foco) y un espejo convexo en donde la distancia focal se obtendría prolongando virtualmente los rayos divergentes.

Los espejos cóncavos forman imágenes reales e invertidas de un objeto que se encuentra detrás del foco principal. Si el objeto se halla entre el foco principal y el espejo, la imagen es virtual, derecha y aumentada. La imagen que se forma en un espejo convexo es derecha, de menor tamaño y virtual.

Si hacemos incidir un rayo sobre la cara plana de una lente semiesférica, podremos observar el rayo reflejado (con el mismo ángulo que el incidente, en este caso, 60^o) y el rayo refractado, que emerge con un ángulo de 35^orespecto a la normal. Aplicando la Ley de Snell es posible calcular el índice de refracción del material de la lente (metacrilato): n_aire . sen 60^o = n_metacrilato . sen 35^o. El resultado obtenido con estos modestos medios fue, para n_metacrilato = 1,50 (el recogido en la bibliografía científica es 1,49).

En la fotografía superior se aprecia que un rayo luminoso que incide perpendicularmente una de las caras de una lámina plano-paralela, no cambia su dirección. No obstante, si la incidencia se realiza con un determinado ángulo (fotografía inferior), el rayo emergente es paralelo al incidente aunque se produce un desplazamiento, que dependerá del ángulo de incidencia y del grosor de la lámina.

Desde muy antiguo se conocía que interponiendo un prisma entre la luz solar y una pantalla, aparecían los colores del arco iris. Los prismas eran un juguete para los niños. Efecto análogo se puede producir con un foco eléctrico potente como el de un proyector de diapositivas.

Los científicos pensaban que la luz solar blanca era pura y los colores eran una modificación de ella y los creaba el prisma. En 1664 Isaac Newton fue a una feria cerca de Cambridge y compró un par de prismas con los que realizó un experimento en la casa familiar que resultó crucial para desentrañar la naturaleza de la luz. Newton realizó un dibujo describiendo dicho experimento (debe seguirse de derecha a izquierda). Hizo pasar un rayo de luz solar procedente de un orificio en una habitación oscura para que, con ayuda de una lente convergente, incidiera sobre un prisma de vidrio y se obtuviera a la salida del mismo, el espectro visible de la luz solar. Al hacer pasar cada uno de los haces coloreados por una rendija y hacerlos incidir sobre un segundo prisma, obtuvo a la salida el mismo haz de luz monocromática. Eso demostraba que el prisma no era el que creaba los colores si no que descomponía la luz blanca en sus componentes. Newton había descubierto una ley fundamental de la naturaleza y la escribió en latín en la esquina superior izquierda: “Nec variat lux fracta colorem” (la luz refractada no cambia de color).

El segundo grupo de elementos ópticos va alojado en una caja de 232 x 160 x 50 mm. Contiene: Una fuente de luz que produce 3 rayos láser independientes, alimentados por 2 baterías LR6 de 1,5 V. Dos prismas triangulares equiláteros, uno de 10 mm de grosor cuya cara triangular tiene 40 mm de lado y otro, de vidrio, con 50 mm de altura y cuya cara triangular mide 30 mm de lado. Una lente biconvexa y otra bicóncava, un espejo cóncavo-convexo, una lente semiesférica, una lámina rectangular, todas de material acrílico, de 50 mm de altura y 10 de grosor. Dos espejos rectangulares y una lámina coloreada de 25 x 50 mm. Una lupa con un diámetro externo de 25 mm. La caja se completa con un disco de Hartl y tres piezas con forma de alfil (objetos).

Con los elementos ópticos precedentes se pueden efectuar una serie de experimentos de óptica geométrica. Así, mediante un espejo plano y un disco de Hartl se puede demostrar que el ángulo de incidencia es igual al de reflexión, en este caso 30o. La imagen formada por un espejo plano es siempre derecha, virtual (los rayos de luz no provienen de la imagen) y de la misma forma y medida que posee el objeto reflejado.

Estos montajes permiten determinar la distancia focal y la potencia de una lente. La distancia focal o longitud focal, f, de un lente es la distancia entre el centro óptico de la lente y el foco (o punto focal). La inversa de la distancia focal de una lente es la potencia, y se mide en dioptrías (m^-1).

Para una lente positiva (biconvexa, convergente), la distancia focal es positiva. Se define como la distancia desde el eje central de la lente hasta donde un haz de luz de rayos paralelos que atraviesa la lente se enfoca en un único punto (foco). Para una lente negativa (bicóncava, divergente), la distancia focal es negativa. Se define como la distancia que hay desde el eje central de la lente a un punto imaginario del cual parece emerger el haz de luz que pasa a través de ella.

Si agrupamos una lente bicóncava y una biconvexa, los efectos en los rayos se contrarrestan, como se aprecia en la tercera fotografía.

Si hacemos incidir un rayo sobre la cara esférica de una lente semiesférica con un ángulo de, por ejemplo 35^o, Figura 1, observaremos el rayo refractado (señalado por una flecha) y el reflejado. Si vamos aumentando el valor del ángulo de incidencia: 40^o (Fig.2), 41^o (Fig. 3), 42^o (Fig. 4), se observa que el rayo refractado se acerca a la cara plana de la lente hasta que el rayo es rasante a dicha cara. El ángulo de incidencia que le corresponde se denomina ángulo límite. A partir del ángulo límite, desaparece el rayo refractado y se produce la reflexión total (Figura 5).

En la fotografía se aprecia el rayo incidente y el reflejado, así como la doble refracción (dentro del prisma y a la salida del mismo). Se puede demostrar, al aplicar la Ley de Snell a las dos caras del prisma, que los ángulos de incidencia y emergencia en el aire, son iguales.

Con el montaje que se muestra se puede determinar la distancia focal de una lente convergente y su potencia. Si se ilumina un objeto (1) y se interpone una lente convergente entre este y la pantalla, se obtendrá una imagen real, mayor e invertida, siempre que la distancia del objeto a la lente sea mayor que la distancia focal de la misma. Anotando las distancia s y s’ y aplicando la expresión de Gauss, podremos calcular la distancia focal (f’), cuya inversa es la Potencia de la lente, que se mide en metros^-1.